〖摘要〗本文探討了基于光頻域反射技術(shù)的瑞利散射光分布光纖溫度測量系統(tǒng)(FBI-Gauge)，與傳統(tǒng)熱電阻的測量結(jié)果相比，可以得出光纖測量不僅與熱電偶的測溫結(jié)果基本一致，而且可以更直觀地顯示被測物體的整個(gè)幾何面在每個(gè)時(shí)刻的溫度分布。

　　引言

　　熱電阻是目前工業(yè)上廣泛使用的溫度測量元件。熱電偶也用于整車熱管理實(shí)驗(yàn)。熱電阻具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的特點(diǎn)，但也存在測量區(qū)域單一、不全面等問題，影響測量結(jié)果的因素較多。13]基于瑞利散射光原理[416]的光纖測量技術(shù)具有采樣頻率高、采集范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸被研究和應(yīng)用[7110]，但尚未在汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　目前，汽車正朝著數(shù)字化方向發(fā)展，需要大量的數(shù)據(jù)積累。同樣，整車熱管理的發(fā)展也需要收集大量的溫度數(shù)據(jù)，一方面是為了提高開發(fā)特性;另一方面是為了積累數(shù)據(jù)，為后續(xù)車型提供熱管理的研發(fā)方向。目前，整車熱管理中使用的熱電阻采集溫度已不能提供持續(xù)、全面的測量數(shù)據(jù)，光纖測量技術(shù)的使用可以很好地解決這一問題。因此，本文通過一系列試驗(yàn)研究了光纖溫度測量系統(tǒng)。

　　1測溫原理

　　1.1傳統(tǒng)熱電偶測溫原理

　　熱電偶溫度測量的基本原理是熱電效應(yīng)。隨機(jī)連接兩種不同類型的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和8首尾，產(chǎn)生閉合電路。只要熱端和冷端的溫度不同，就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，形成熱電流，即熱電效應(yīng)[1]

　　焊接兩種滿足一定要求的不同材料導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的任何一端，形成熱電阻導(dǎo)體或半導(dǎo)體，稱為熱電極。焊接的一端插入溫度測量場所稱為工作端或熱端，另一端稱為溫度參考段或冷端。當(dāng)兩側(cè)溫度不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電勢，這是測量溫度的溫度感應(yīng)元件。將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后儀表顯示熱電勢的大小不僅與材料有關(guān)，而且與熱電阻兩端的溫差相對應(yīng)。兩端的溫度與熱電勢之間有固定的函數(shù)關(guān)系，溫度值可以通過這種關(guān)系來測量。

　　1.2光纖測溫原理

　　本文介紹的光纖測量儀器名稱為：FiberbeaminvestigationGauge(FBI一Gauge)，它主要由四部分組成：計(jì)算機(jī)、主要設(shè)備、連接光纖和測量光纖。該設(shè)備采用可變波長激光(1510)、1570(m)射人光纖是一種檢查和分析光纖中玻璃分子細(xì)微折射光(瑞利散射光)的光傳感系統(tǒng)，屬于基于光頻域反射的瑞利散射光分布式傳感系統(tǒng)[6,9]

　　1.2.1瑞利散射光原理

　　FBI-Gauge測試了光纖中被稱為瑞利散射光的折射光。當(dāng)光遇到顆粒時(shí)，透射只是向四面八方分散。瑞利透射是指相當(dāng)于光波長1/10左右的細(xì)微物質(zhì)引起的光散射。光纖會(huì)因玻璃分子而產(chǎn)生瑞利散射光，如圖2所示

　　1.2光域反射的基本原理

　　光頻域反射結(jié)構(gòu)包括掃描光源、邁克爾遜干涉器、光電探測器和信號(hào)處理模塊等?；诠獠顧z測，原理如圖3所示

　　以頻率為中心的連續(xù)光掃描頻率，通過耦合器進(jìn)入邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)分為兩束。一束通過反射鏡返回，其光程是固定的，稱為參考光;另一束進(jìn)入被測光纖。光纖內(nèi)部產(chǎn)生瑞利透射，然后向散射光滿足光纖值孔徑，然后向注射器端回，稱為折射光。如果傳播長度滿足光的相關(guān)條件，折射光和參考光將在光電探測器的感光表面產(chǎn)生混合頻率

　　從(4)可以看出，被測光纖上任何不可能的瑞利后散射信號(hào)對應(yīng)的光電流頻率為0：2至無10，設(shè)置x。當(dāng)為0時(shí)，頻率大小與透射點(diǎn)位置0成正比。只要頻率低于光電探測器的截至響應(yīng)頻率，光電探測器就會(huì)導(dǎo)出相應(yīng)頻率的光電流，其范圍與光纖x處的后散射指數(shù)和光功率大小成正比，從而獲得被測光纖各處的透射衰減特性

　　1.2.3測量方法和順序

　　FBI-Gauge用光頻域反射光頻域(OFDR)該方法分析了光纖的折射光，其測量分析順序如下。圖4顯示了測量過程

　　1.向光路射人周期性變化的波長(1510)、1570nm

　　2.使用分光器1，將光線(測量光)和光線(參考光)分為傳感光纖;

　　3.光纖一般因測定光而產(chǎn)生散射光，變成折射光;

　　4.折射光通過分光器2，射向探測器;

　　5.參考光和折射光通過分光器3匯合，利用探測器獲得光強(qiáng)度因影響而發(fā)生的變化;

　　6.改變測定信息的傅立葉，獲得各光纖位置的散射光頻率;

　　7.將根據(jù)固有線路信息提前測定的共振頻率與通過測定獲得的頻率進(jìn)行比較，得到的頻率偏差№?！砀鶕?jù)光纖材料和人射光的波長，變化量可以線性分布，因此可以根據(jù)光纖材料和人射光的波長進(jìn)行分布№計(jì)算應(yīng)變量和溫度變化量。

　　2.實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

　　為了研究光纖溫度測量的準(zhǔn)確性和可行性，本文分析了實(shí)車溫度采集數(shù)據(jù)

　　2.1熱電阻設(shè)點(diǎn)和光纖布線

　　本文在整車排氣管后消音器表面布置了三個(gè)熱電阻測點(diǎn)，位置如圖5所示。三個(gè)測點(diǎn)位于后消音器前/中/后三個(gè)內(nèi)腔表面，后消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。同時(shí)，光纖沿三個(gè)熱電阻位置布置，測量光纖長度為2m，測量部分覆蓋三個(gè)內(nèi)腔。熱電阻對應(yīng)光纖的位置如表1所示

　　表1熱電阻對應(yīng)于光纖中的位置

　　測點(diǎn)編號(hào)

　　測點(diǎn)名字

　　測點(diǎn)距離

　　光纖起始位置/光纖起始位置/光纖起始位置/m

　　測點(diǎn)1

　　MufflerSurfaceFront

　　l.605

　　測點(diǎn)2

　　MufflerSurfaceMiddle

　　l.435

　　測點(diǎn)3

　　MufflerSurface_Rear

　　l.200

　　因?yàn)橄羝鞅砻娴臏囟群芨?，已?jīng)超過了一般膠水的耐溫極限。為了將光纖緊貼在后消音器表面，本文采用了一根柔韌性很高的密實(shí)彈簧管，然后通過焊接將彈簧管緊貼在消音器表面，因?yàn)閺椈晒苁墙饘俨牧?，?dǎo)熱性好，可以保證最大限度地減少溫度傳遞損失。同時(shí)，彈簧管完全密實(shí)(如圖7所示)，底盤下的冷卻氣流不會(huì)通過彈簧管。

　　為了避免光纖在整個(gè)布局過程中斷裂，光纖方向要求不能彎曲視角過大。同時(shí)，由于光纖容易受到振動(dòng)的影響，在布局過程中不能有較大的懸掛段。為了解決消音器與車身之間的間隙，從車身引出鋁板。考慮到消音器本身的振動(dòng)，鋁板與消音器之間的間隙約為5mm(如圖9所示)，減少了懸掛段引起的振動(dòng)，最大限度地減少了振動(dòng)因素。

　　由于光纖本身的特點(diǎn)，尾端的10厘米長度需要保持直線，不能彎曲。同時(shí)，由于彈簧端口是開放的，直線段光纖容易受到迎面風(fēng)向的影響，導(dǎo)致振動(dòng)甚至斷裂?？紤]到以上兩點(diǎn)，結(jié)合后消音器的結(jié)構(gòu)，本文將光纖直線段布置在后消音器側(cè)面，尾端朝向順風(fēng)方向，避免迎面風(fēng)帶來的振動(dòng)影響。